Введение к работе
Актуальность проблемы. Ужесточение требований к точности размеров и формы горячекатаных полос и листов продиктовано тем, что все большая часть продукции таких отраслей промышленности, как машиностроение, изготовление стройматериалов и труб, производится на автоматических поточных линиях, нормальное функционирование которых зависит не только от точности толщины, но и ширины и плоскостности поставляемого металла.
Зарубежные стандарты, регламентирующие плоскостность горячекатаных полос и листов жестче отечественных. На рисунке 1 в качестве примера приведено графическое сравнение требований ГОСТ 19903-74, немецкого DIN 1543(1981) и европейского стандарта EN 10029:1991. Кривые 1-4 соответствуют требованиям ГОСТ 19903-74 к горячекатаным полосам и листам с нормальной (1), улучшен-
Отклонение от плоскостности, мм
2,0
3.
І-
0 10,0 20,0 30,0 40,0 50,0 к, ММ
Рисунок 1-Требования ГОСТ 19903-74 и EN 10029 к плоскостности полос и листов
ной (2), высокой (3) и особо высокой плоскостностью (4). Кривая 5 соответствует требованиям DIN 1543 к горячекатаным полосам и листам с нормальной плоскостностью. Кривые 6 и 7 соответствуют повышенным требованиям EN 10029 (ограниченный допуск), причем кривая 6 относится к полосам и листам шириной более 2750 мм, а кривая 7 -шириной менее 2750 мм.
Доля отсортировки горя-
чекатаного листового проката по причине неплоскостности на отечественных металлургических предприятиях составляет 0,2 - 0,5 процента, что по разным оценкам в 3 - 5 раз хуже показателей аналогичных металлургических предприятий высокоразвитых стран.
Требования зарубежных стандартов к точности ширины горячекатаных полос и листов, как правило, жестче отечественных. Предельные отклонения для ширины
горячекатаных полос с необрезной кромкой по ГОСТ 19903-74 составляют +20 мм при ширине до 1000 мм и +30 мм при ширине свыше 1000 мм, в то время как EN 10029:1991 и DIN 1543(1981) устанавливают +20 мм при ширине до 2000 мм, a DIN 10051 (1997) +20 мм при ширине до 1500 мм, +25 мм при ширине свыше 1500 мм.
Формирование заданной ширины готовой полосы при горячей прокатке представляет собой сложную задачу: в черновой группе ограничивают уширение, которое в зависимости от ширины полосы и обжатия составляет 10-20 мм, а в чистовой утяжку, которая может достигать 5-15 мм. Отсортировка полос из электротехнических сталей, наиболее чувствительных к параметрам формоизменения, по причине превышения предельных допусков по ширине может достигать одного процента и более, а эта сталь наиболее трудоемкая в производстве и дорогостоящая.
Для повышения конкурентоспособности отечественной листовой продукции на зарубежных рынках в преддверии вступления России в ВТО проблема совершенствования технологий формообразования горячекатаных полос и листов является актуальной. Эта проблема становится еще более актуальной в связи с ожидаемым пуском в промышленную эксплуатацию станов горячей прокатки толстых листов 5000 на Магнитогорском металлургическом комбинате (2009 г.) и Выксунском металлургическом заводе (2010 г.) для производства заготовок для труб большого диаметра из стали категории прочности X 120, до настоящего времени в российской трубной промышленности не применявшейся.
Совершенствование технологий листовой прокатки, позволяющих получать полосы и листы заданных геометрических размеров при сохранении ими плоской формы, а также способов уменьшения остаточных напряжений по ширине (при горячей прокатке остаточными условимся называть напряжения в полосе при выходе из очага деформации без учета релаксации, величина которых определяет форму полос) предполагает получение новых знаний о взаимосвязи параметров прокатки, что приводит к необходимости разработки математических моделей, адекватно отражающих реальные процессы, протекающие в очаге пластической деформации.
Одним из путей решения проблемы повышения точности геометрических параметров горячекатаных полос, включая их форму, является использование элементов асимметричной прокатки полос и листов. На металлургических комбинатах ОАО «Северсталь», ОАО «Испат-Кармет», Институте металлургии и материаловедения РАН и других предприятиях и НИИ при проведении исследований влияния
асимметричности процесса на параметры прокатки и полосы было отмечено улучшение плоскостности листового проката. Углубление знаний о влиянии асимметрии на силовые параметры листовой прокатки и форму прокатываемых полос вызывает необходимость разработки новых математических моделей листовой асимметричной прокатки.
Все вышесказанное обусловливает актуальность исследований процессов формообразования полос и листов при симметричной и асимметричной горячей прокатке, математического моделирования на основе современных представлений о механике сплошных сред, теории прокатки, прикладной математики и компьютерных технологий.
Цель работы. Совершенствование технологий производства горячекатаных полос и листов, разработка новых решений по управлению их формообразованием на основе развития теории симметричной и асимметричной горячей прокатки с учетом поперечного перемещения металла в очаге деформации.
Комплекс задач, поставленных в работе, включает следующие:
-
Разработка математических моделей формирования поперечного профиля и плоскостности горячекатаных полос и листов на основе результатов исследования распределения погонной нагрузки и остаточных напряжений по ширине прокатываемых полос и листов при симметричной и асимметричной горячей прокатке с учетом поперечного перемещения металла в очаге пластической деформации, а также экспериментальная проверка этих моделей.
-
Разработка методов расчета и практическое применение профилировок рабочих валков, стабилизирующих геометрические параметры прокатываемых полос при осевой сдвижке рабочих валков, а также профилировок, улучшающих плоскостность полос за счет создания благоприятных условий для поперечного перемещения металла в очаге пластической деформации.
-
Теоретическое исследование кинематических и силовых параметров асимметричной горячей прокатки, их влияния на формообразование полос и листов, а также разработка и внедрение практических рекомендаций по улучшению условий формообразования полос и листов при симметричной и асимметричной горячей прокатке.
-
Разработка, экспериментальная проверка и практическое использование математических моделей процесса уширения при горячей прокатке с целью повышения точности формирования ширины прокатываемых полос и листов.
Диссертация представляет собой научное обобщение результатов, полученных автором во время работы на кафедре прокатки Липецкого государственного технического университета (ЛГТУ) и экспериментальных исследований на непрерывном широкополосном стане горячей прокатки (НШСГП) 2000 Производства горячего проката ОАО "НЛМК".
Научная новизна. В работе получены и выносятся на защиту следующие результаты, отличающиеся научной новизной:
-
Впервые полученные в явном виде выражения для распределения погонной нагрузки по ширине полосы при симметричной и асимметричной горячей прокатке полос и листов с учетом поперечного перемещения металла в очаге пластической деформации, а также новые методы управления плоскостностью, разработанные на основании исследований неравномерности полей напряжений и деформаций в прокатываемой полосе, заключающиеся в управлении формой эпюры переднего натяжения, компенсирующей неравномерность вытяжек металла на выходе очага деформации.
-
Разработанная методика расчета и практические рекомендации использования профилировок рабочих валков, улучшающих условия для поперечного перемещения металла в очаге деформации, интенсификация которого способствует выравниванию распределения остаточных напряжений по ширине полосы, а также впервые разработанные методы построения профилировок рабочих валков для клетей с осевой сдвижкой рабочих валков и результаты промышленного использования на НШСГП 2000 ОАО "НЛМК" профилировок CVC (Continuous Variable Crown - профилировка с непрерывно изменяющейся выпуклостью её иногда называют S -образной или выпукло-вогнутой), стабилизирующих геометрические параметры прокатываемых полос при осевой сдвижке.
-
Новые результаты, заключающиеся в уточнении методики вычисления нейтральных углов, распределения скоростей течения металла и усилия прокатки, полученные на основании исследований кинематических и силовых параметров асимметричной прокатки, а также впервые разработанная методика количественной оценки уменьшения остаточных напряжений по ширине прокатываемых полос и листов при прокатке с рассогласованием скоростей вращения валков.
-
Новые результаты исследований процесса уширения при горячей прокатке полос и листов, заключающиеся в математических моделях распределения уширения вдоль очага деформации, разработанных на основе строгого обоснования ки-
нематической допустимости нового соотношения скоростей продольного и поперечного перемещения металла в очаге пластической деформации, экспериментальном подтверждении разработанных моделей в лабораторных условиях и на стане горячей прокатки 2000 ОАО «НЛМК», а также впервые разработанная методика количественной оценки распределения остаточных напряжений по ширине при прокатке полос и листов с уширением.
Практическая значимость и реализация результатов работы. Разработанная методика вычисления распределения по ширине полосы погонной нагрузки с учетом поперечного перемещения металла в очаге деформации позволяет определять величину упругого сплющивания валка в контакте с полосой и уточнять профилировку валков для улучшения условий формообразования прокатываемых полос и листов.
Разработанные теоретические методики расчета профилировок рабочих валков для клетей с осевой сдвижкой рабочих валков позволяют разрабатывать профилировки различного назначения, в частности, для уменьшения прикромочного износа.
Разработанные математические модели формоизменения прокатываемых полос и алгоритмы управления величиной осевой сдвижки рабочих валков с про-филировками CVC были использованы при реконструкции клети №10 стана 2000 горячей прокатки и при проектировании стана 2500 горячей прокатки ОАО «НЛМК».
Математическая модель процесса горячей прокатки с уширением была использована при исследовании и внедрении технологических режимов настройки прокатки с реверсивными проходами в клети №1 черновой группы стана 2000 с целью снижения разноширинности подката и готовой полосы.
Алгоритмы расчета удельных натяжений и управления межклетевым охлаждением полосы были использованы при модернизации систем управления начальной настройкой и натяжением полосы комплекса АСУ ТП чистовой группы стана 2000 ОАО «НЛМК».
Новые профилировки рабочих валков CVC, выполненные в соответствии с разработанной и внесенной в технологическую инструкцию Производства горячего проката ОАО "НЛМК" методики расчета, повысили стабильность толщины головных частей прокатываемых полос на 25% при осевой сдвижке рабочих валков; разработана и внедрена программа шлифования рабочих валков на основе разработанной методики.
Полученное теоретическое обоснование формирования плоскостности полос и листов при асимметричной прокатке может стать основой разработки новых технологических режимов горячей прокатки, в том числе и на станах 5000; предложенные новые технические и технологические решения по прокатке позволяют уменьшить уровень остаточных напряжений по ширине полос и листов в 1,5-2 раза и приблизить уровень неплоскостности горячекатаных листов и полос к европейским стандартам.
Разработанные математические модели уширения при листовой прокатке позволяют анализировать влияние параметров прокатки на распределение уширения по длине очага деформации, а также на распределение остаточных напряжений по ширине полосы при прокатке с уширением; предложен способ уменьшения утяжки полос в чистовой группе клетей на 3-5 мм путем настройки усилий противоизгиба рабочих валков для прокатки на краевую волнистость; полученные решения могут быть использованы для управления шириной проката как в черновой и чистовой группах НШСГП, так и на тол стол истовых станах.
Результаты диссертации используются в учебном процессе при чтении лекций по курсам "Теория прокатки" и "Динамика процессов прокатки" для студентов специальности "Обработка металлов давлением" Липецкого государственного технического университета; по материалам диссертации опубликовано 3 учебных пособия для вузов.
Обоснованность и достоверность основных положений и результатов диссертации определяется использованием фундаментальных основ механики сплошной среды, классических теорий пластичности и упругости, современной теории прокатки, обоснованностью и строгостью применения математических методов и компьютерных технологий CAD/CAE и практической реализацией в условиях реального производства.
Личный вклад соискателя. При проведении исследований, результаты которых опубликованы в соавторстве, диссертантом предложены основные идеи и выполнены теоретические, технические и технологические решения, а также анализ результатов.
Публикации. Основное содержание диссертации опубликовано в 3 учебных пособиях для вузов, 39 статьях, включая 21 публикацию в научных изданиях, рекомендуемых ВАК для опубликования результатов докторских диссертаций; общий объем публикаций составляет 543 стр., из них лично автору диссертации принад-
лежит (указано в скобках в списке публикаций) 406 стр. (75%). Получены авторское свидетельство СССР и патент РФ на изобретения.
Апробация работы. Материалы диссертации доложены и обсуждены на:
- Всесоюзной научно-технической конференции "Теоретические проблемы
прокатного производства" ( Днепропетровск, 1988 г.);
международных научно-технических конференциях "Современные достижения теории и практики тонколистовой прокатки" (Липецк, 1990 г.), "Проблемы развития металлургии Урала на рубеже XXI века" (Магнитогорск, 1996 г.), "Павловские чтения" (Москва, МИСиС, 2000 г.), "Теория и практика производства проката" (Липецк, 2001 г.), "Теория и практика производства листового проката" (Липецк, 2003 г., 2005г., 2008 г.), "Современная металлургия начала нового тысячелетия" (Липецк, 2006 г.), "Физико-механические проблемы формирования структуры и свойств материалов методами обработки давлением" (Краматорск, Украина, 2007 г.), "Исследование, разработка и применение высоких технологий в промышленности" (Санкт-Петербург, март 2007 г.), "Современные достижения в теории и технологии пластической обработки металлов" (Санкт-Петербург, Санкт-Петербургский гос. политех, университет, сентябрь 2007 г);
расширенном научном семинаре по проблемам фундаментальной механики в теории обработки давлением (Москва, МАМИ, МГУ, 2008 г.);
научном семинаре (Москва, Институт металлургии и материаловедения им. А.А.Байкова Российской академии наук, 2009 г.).
Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, 6 глав, заключения, содержащего общие выводы по работе, и 3 приложений. Диссертация содержит 334 страницы машинописного текста, 107 рисунков, 18 таблиц, список использованных источников включает 368 наименований.
